Los osciladores convierten una entrada de CC (la tensión de alimentación) en una salida de CA (la forma de onda), que puede tener una amplia gama de diferentes formas de onda y frecuencias que pueden ser de naturaleza complicada o simples ondas sinusoidales dependiendo de la aplicación.
Los osciladores también se utilizan en muchos equipos de prueba que producen ondas sinusoidales, formas de onda cuadradas, de diente de sierra o triangulares o simplemente un tren de pulsos de ancho variable o constante. Los osciladores LC se utilizan comúnmente en circuitos de radiofrecuencia debido a sus buenas características de ruido de fase y su facilidad de implementación.
Un Oscilador es básicamente un Amplificador con «Retroalimentación Positiva», o retroalimentación regenerativa (en fase) y uno de los muchos problemas en el diseño de circuitos electrónicos es detener a los amplificadores de oscilar mientras intentan que los osciladores oscilen.
Los osciladores funcionan porque superan las pérdidas de su circuito resonador de retroalimentación, ya sea en forma de condensador, inductor o ambos en el mismo circuito, aplicando energía de CC a la frecuencia requerida en este circuito resonador. En otras palabras, un oscilador es un amplificador que utiliza retroalimentación positiva que genera una frecuencia de salida sin el uso de una señal de entrada.
Por lo tanto, los osciladores son circuitos autosostenibles que generan una forma de onda de salida periódica a una frecuencia precisa y para que cualquier circuito electrónico funcione como oscilador, debe tener las tres características siguientes.
- Alguna forma de amplificación
- Retroalimentación positiva (regeneración)
- Una red de retroalimentación de determinación de frecuencia
Un oscilador tiene un pequeño amplificador de retroalimentación de señal con una ganancia de bucle abierto igual o ligeramente mayor que una para que las oscilaciones comiencen, pero para continuar las oscilaciones, la ganancia de bucle promedio debe volver a unity. Además de estos componentes reactivos, se requiere un dispositivo de amplificación, como un Amplificador Operacional o un Transistor Bipolar.
A diferencia de un amplificador, no se requiere una entrada de CA externa para hacer que el Oscilador funcione, ya que el oscilador convierte la energía de alimentación de CC en energía de CA a la frecuencia requerida.
Circuito de retroalimentación del oscilador básico
Donde: β es una fracción de retroalimentación.
Ganancia del oscilador Sin Retroalimentación
Ganancia del oscilador Con retroalimentación
Los osciladores son circuitos que generan una forma de onda de salida de voltaje continuo a una frecuencia requerida con los valores de los inductores, condensadores o resistencias formando un circuito de tanque resonante LC selectivo de frecuencia y una red de retroalimentación. Esta red de retroalimentación es una red de atenuación que tiene una ganancia de menos de uno ( β <1 ) y comienza las oscilaciones cuando Aß >1 que vuelve a la unidad ( Aß =1 ) una vez que comienzan las oscilaciones.
La frecuencia de osciladores LC se controla mediante un circuito inductivo/capacitivo (LC) sintonizado o resonante, con la frecuencia de salida resultante conocida como Frecuencia de Oscilación. Al hacer que la retroalimentación de los osciladores sea una red reactiva, el ángulo de fase de la retroalimentación variará en función de la frecuencia y esto se denomina cambio de fase.
básicamente, Existen tipos de Osciladores
- 1. Osciladores sinusoidales: se conocen como Osciladores Armónicos y generalmente son osciladores de tipo» LC Tuned-feedback «o» RC tuned-feedback » que generan una forma de onda puramente sinusoidal de amplitud y frecuencia constantes.
- 2. Osciladores no Sinusoidales: se conocen como Osciladores de relajación y generan formas de onda complejas no sinusoidales que cambian muy rápidamente de una condición de estabilidad a otra, como formas de onda de tipo» Onda cuadrada»,» Onda triangular «u» Onda de sierra».
Resonancia del oscilador
Cuando se aplica un voltaje constante pero de frecuencia variable a un circuito que consiste en un inductor, un condensador y una resistencia, la reactancia de los circuitos del Condensador/Resistencia y del Inductor/Resistencia es cambiar tanto la amplitud como la fase de la señal de salida en comparación con la señal de entrada debido a la reactancia de los componentes utilizados.
A altas frecuencias, la reactancia de un condensador es muy baja actuando como un cortocircuito, mientras que la reactancia del inductor es alta actuando como un circuito abierto. A bajas frecuencias, lo contrario es cierto, la reactancia del condensador actúa como un circuito abierto y la reactancia del inductor actúa como un cortocircuito.
Entre estos dos extremos, la combinación del inductor y el condensador produce un circuito» sintonizado «o» Resonante » que tiene una Frecuencia Resonante, ( ƒr ) en la que la reactancia capacitiva e inductiva son iguales y se anulan entre sí, dejando solo la resistencia del circuito para oponerse al flujo de corriente. Esto significa que no hay cambio de fase, ya que la corriente está en fase con el voltaje. Considere el circuito a continuación.
Circuito básico de tanque oscilador LC
El circuito consta de una bobina inductiva, L y un condensador, C. El condensador almacena energía en forma de un campo electrostático y produce un potencial (voltaje estático) a través de sus placas, mientras que la bobina inductiva almacena su energía en forma de campo electromagnético. El condensador se carga hasta la tensión de alimentación de CC, V, colocando el interruptor en la posición A. Cuando el condensador está completamente cargado, el interruptor cambia a la posición B.
El condensador cargado ahora está conectado en paralelo a través de la bobina inductiva, de modo que el condensador comienza a descargarse a sí mismo a través de la bobina. El voltaje a través de C comienza a caer a medida que la corriente a través de la bobina comienza a subir.
Esta corriente ascendente establece un campo electromagnético alrededor de la bobina que resiste este flujo de corriente. Cuando el condensador, C se descarga completamente la energía que originalmente se almacenaba en el condensador, C como un campo electrostático ahora se almacena en la bobina inductiva, L como un campo electromagnético alrededor de los devanados de las bobinas.
Como ahora no hay voltaje externo en el circuito para mantener la corriente dentro de la bobina, comienza a caer a medida que el campo electromagnético comienza a colapsar. Se induce un emf trasero en la bobina (e = -Ldi/dt) manteniendo la corriente fluyendo en la dirección original.
Esta corriente carga el condensador, C con la polaridad opuesta a su carga original. C continúa cargando hasta que la corriente se reduce a cero y el campo electromagnético de la bobina se ha colapsado por completo.
La energía introducida originalmente en el circuito a través del interruptor, ha sido devuelta al condensador que de nuevo tiene un potencial de voltaje electrostático a través de él, aunque ahora es de la polaridad opuesta. El condensador ahora comienza a descargarse de nuevo a través de la bobina y se repite todo el proceso. La polaridad de la tensión cambia a medida que la energía se pasa de un lado a otro entre el condensador y el inductor, produciendo una forma de onda de tensión y corriente sinusoidal de tipo CA.
Este proceso forma la base de un circuito de tanque de osciladores LC y teóricamente este ciclo de ida y vuelta continuará indefinidamente. Sin embargo, las cosas no son perfectas y cada vez que se transfiere energía del condensador, C al inductor, L y de regreso de L a C, ocurren algunas pérdidas de energía que descomponen las oscilaciones a cero con el tiempo.
Esta acción oscilatoria de pasar energía de ida y vuelta entre el condensador, C al inductor, L continuaría indefinidamente si no fuera por pérdidas de energía dentro del circuito. La energía eléctrica se pierde en la resistencia DC o real de la bobina de los inductores, en el dieléctrico del condensador y en la radiación del circuito, por lo que la oscilación disminuye constantemente hasta que se mueren por completo y el proceso se detiene.
Entonces, en un circuito LC práctico, la amplitud de la tensión oscilatoria disminuye en cada medio ciclo de oscilación y eventualmente se desvanecerá a cero. Se dice que las oscilaciones están «amortiguadas» con la cantidad de amortiguación determinada por la calidad o el factor Q del circuito.
Oscilaciones amortiguadas
La frecuencia de la tensión oscilatoria depende del valor de la inductancia y la capacitancia en el circuito del tanque LC. Ahora sabemos que para que se produzca la resonancia en el circuito del tanque, debe haber un punto de frecuencia donde el valor de XC, la reactancia capacitiva es el mismo que el valor de XL, la reactancia inductiva ( XL = XC ) y que, por lo tanto, se cancelará entre sí dejando solo la resistencia de CC en el circuito para oponerse al flujo de corriente.
Si ahora colocamos la curva para la reactancia inductiva del inductor en la parte superior de la curva para la reactancia capacitiva del condensador de modo que ambas curvas estén en los mismos ejes de frecuencia, el punto de intersección nos dará el punto de frecuencia de resonancia, ( ƒr o wr ) como se muestra a continuación.
Frecuencia de resonancia
Donde: ƒr está en Hertz, L está en Henrios y C está en Farads.
Entonces la frecuencia a la que esto sucederá se indica como:
Luego, simplificando la ecuación anterior, obtenemos la ecuación final para la Frecuencia Resonante, ƒr en un circuito LC sintonizado como:
Frecuencia resonante de un Oscilador LC
- Donde:
- L es la Inductancia en Henrios
- C es la Capacitancia en Faradios
- ƒr es la Frecuencia de Salida en hz
Esta ecuación muestra que si bien L o C se redujo, la frecuencia aumenta. A esta frecuencia de salida comúnmente se le da la abreviatura de ( ƒr ) para identificarla como la «frecuencia resonante».
Para mantener las oscilaciones en un circuito de tanque LC, tenemos que reemplazar toda la energía perdida en cada oscilación y también mantener la amplitud de estas oscilaciones a un nivel constante. Por lo tanto, la cantidad de energía reemplazada debe ser igual a la energía perdida durante cada ciclo.
Si la energía reemplazada es demasiado grande, la amplitud aumentaría hasta que se produzca el recorte de los rieles de suministro. Alternativamente, si la cantidad de energía reemplazada es demasiado pequeña, la amplitud eventualmente disminuiría a cero con el tiempo y las oscilaciones se detendrían.
La forma más sencilla de reemplazar esta energía perdida es tomar parte de la salida del circuito del tanque LC, amplificarla y luego volver a introducirla en el circuito LC. Este proceso se puede lograr utilizando un amplificador de voltaje utilizando un amplificador operativo, FET o transistor bipolar como dispositivo activo. Sin embargo, si la ganancia de bucle del amplificador de retroalimentación es demasiado pequeña, la oscilación deseada decae a cero y si es demasiado grande, la forma de onda se distorsiona.
Para producir una oscilación constante, el nivel de energía que se devuelve a la red LC debe controlarse con precisión. Entonces debe haber alguna forma de control automático de amplitud o ganancia cuando la amplitud intenta variar de un voltaje de referencia, ya sea hacia arriba o hacia abajo.
Para mantener una oscilación estable, la ganancia total del circuito debe ser igual a uno o unidad. Menos y las oscilaciones no comenzarán o se apagarán a cero, más se producirán oscilaciones pero la amplitud se verá recortada por los rieles de suministro causando distorsión. Considere el circuito a continuación.
Circuito oscilador LC de Transistor básico
Se utiliza un transistor Bipolar como amplificador de osciladores LC con el circuito de tanque LC sintonizado que actúa como carga de colector. Otra bobina L2 está conectada entre la base y el emisor del transistor cuyo campo electromagnético está «mutuamente» acoplado con el de la bobina L.
La»inductancia mutua» existe entre los dos circuitos y la corriente cambiante que fluye en un circuito de bobina induce, por inducción electromagnética, un voltaje potencial en el otro (efecto transformador) de modo que a medida que se producen las oscilaciones en el circuito sintonizado, la energía electromagnética se transfiere de la bobina L a la bobina L2 y se aplica un voltaje de la misma frecuencia que en el circuito sintonizado entre la base y el emisor del transistor. De esta manera se aplica la tensión de retroalimentación automática necesaria al transistor de amplificación.
La cantidad de retroalimentación se puede aumentar o disminuir alterando el acoplamiento entre las dos bobinas L y L2. Cuando el circuito está oscilando, su impedancia es resistiva y los voltajes del colector y la base están fuera de fase a 180o. Para mantener las oscilaciones (llamada estabilidad de frecuencia), la tensión aplicada al circuito sintonizado debe ser «en fase» con las oscilaciones que ocurren en el circuito sintonizado.
Por lo tanto, debemos introducir un cambio de fase adicional de 180o en la ruta de retroalimentación entre el colector y la base. Esto se logra enrollando la bobina de L2 en la dirección correcta con respecto a la bobina L, proporcionándonos las relaciones de amplitud y fase correctas para el circuito de osciladores o conectando una red de cambio de fase entre la salida y la entrada del amplificador.
El Oscilador LC es, por lo tanto, un «Oscilador Sinusoidal» o un «Oscilador Armónico», como se le llama más comúnmente. Los osciladores LC pueden generar ondas sinusoidales de alta frecuencia para su uso en aplicaciones de tipo radiofrecuencia (RF) con un amplificador de transistor Bipolar o FET.
Los osciladores armónicos vienen en muchas formas diferentes porque hay muchas formas diferentes de construir una red de filtros LC y un amplificador, siendo los más comunes el Oscilador LC Hartley, el Oscilador LC Colpitts, el Oscilador Armstrong y el Oscilador Clapp, por nombrar algunos.
Oscilador LC Ejemplo No1
Una inductancia de 200mH y un condensador de 10pF están conectados en paralelo para crear un circuito de tanque oscilador LC. Calcule la frecuencia de oscilación.
Entonces podemos ver en el ejemplo anterior que al disminuir el valor de la capacitancia, C o la inductancia, L tendrá el efecto de aumentar la frecuencia de oscilación del circuito del tanque LC.
Osciladores LC Resumen
Las condiciones básicas requeridas para un circuito de tanque resonante de oscilador LC se indican a continuación.
- Para que existan oscilaciones, un circuito oscilador DEBE contener un componente reactivo (dependiente de la frecuencia), ya sea un «Inductor», (L) o un «Condensador», (C), así como una fuente de alimentación de CC.
- En un simple inductor-condensador, circuito LC, las oscilaciones se amortiguan con el tiempo debido a las pérdidas de componentes y circuitos.
- Se requiere amplificación de voltaje para superar estas pérdidas de circuito y proporcionar ganancia positiva.
- La ganancia total del amplificador debe ser mayor que uno, unidad.
- Las oscilaciones se pueden mantener devolviendo parte de la tensión de salida al circuito sintonizado que tenga la amplitud y fase correctas, (0o).
- Las oscilaciones solo pueden ocurrir cuando la retroalimentación es «Positiva» (auto-regeneración).
- El cambio de fase general del circuito debe ser cero o 360o para que la señal de salida de la red de retroalimentación esté «en fase» con la señal de entrada.
En el siguiente tutorial sobre Osciladores, examinaremos el funcionamiento de uno de los circuitos osciladores LC más comunes que utiliza dos bobinas de inductancia para formar una inductancia central dentro de su circuito de tanque resonante. Este tipo de circuito oscilador LC se conoce comúnmente como oscilador Hartley.
